水稻小穗不確定性基因LHS1-3和雄蕊雌蕊化基因PS的圖位克隆與功能分析.pdf

1、花發(fā)育的分子遺傳機制是植物發(fā)育生物學的研究熱點之一。水稻(Oryza sativa)可以作為單子葉的模式植物，同時也是世界上最重要的糧食作物之一，開花時間、花序和花器官的形態(tài)結構都對其產(chǎn)量和品質構成重要的影響。所以，闡明其花發(fā)育的分子遺傳機制不僅有助于增進人們對整個開花植物分子進化的理解，還有助于推動相關性狀的分子育種研究。而且，作為禾本科的模式作物，在水稻中取得的成果可以直接推動禾本科其他重要糧食作物的相關研究，比如小麥(Tritic

2、um aestivum)和玉米(Zea mays)。 基于擬南芥(Arabidopsis thaliana)和金魚草(Antirrhinum majus)等雙子葉植物的研究結果，目前我們對花發(fā)育分子遺傳機制已經(jīng)有了比較清晰的認識。但是，水稻等單子葉植物和雙子葉植物早在1.5億年以前就己分化。所以，對于水稻等單子葉植物花發(fā)育分子遺傳機制的理解不能過分依賴擬南芥等雙子葉模式植物的研究。在本文中，我們鑒定了兩個水稻花發(fā)育關鍵基因，它們

3、與擬南芥的直系同源基因之間都發(fā)生了較大的功能分化，主要結論如下： 1.水稻小穗不確定性基因LHS1-3的圖位克隆和功能分析 在水稻等禾本科植物中，直接產(chǎn)生花的花序叫小穗，目前對于小穗的特征發(fā)育有了一定的了解，但是對其確定性的發(fā)育還缺乏了解。在本研究中，我們通過圖位克隆鑒定了一個水稻小穗不確定性基因LEAFYHULLSTERILE1-3(LHS1—3)。主要結論如下： 1.1.LHS1-3特化水稻小穗確定性發(fā)育

4、 在Ihs1-3所有的小穗中，原有的頂花被不確定數(shù)目的側生小花代替，它們以1/2交替順序排列在延長不等的小花軸上。這表明lhs1-3突變體丟失了小穗的確定性，暗示LHS1-3調控水稻小穗的確定性發(fā)育。 1.2 LHS1-3調控花分生組織和花器官的發(fā)育 lhs1-3小花的花器官也表現(xiàn)出了嚴重的特征缺陷或缺失，包括延長變薄的外稃、分裂的內(nèi)稃、減少或缺失的漿片、減少的雄蕊和偶爾多柱頭的雌蕊。這些結果暗示LHS1-3基因可能

5、在早期的花分生組織中負責起始正常數(shù)目的內(nèi)輪花原基并調控花分生組織的確定性，而后期調控內(nèi)外稃的細胞分化和增殖。 1.3 LHS1-3在外稃和內(nèi)稃中特化不同的細胞類型lhs1-3突變影響 外稃的發(fā)育比內(nèi)稃要嚴重得多。外觀上，lhs1-3外稃延長、加寬、變薄，而內(nèi)稃只是表現(xiàn)出分裂；在組織結構上，外稃的厚壁組織細胞層嚴重減少，內(nèi)稃中只是厚壁和薄壁組織細胞層變得不太容易區(qū)分，而細胞層數(shù)并未有明顯的變化。這些結果表明LHS1-3基因

6、在外稃的細胞分化和增殖中承擔了更加重要的作用，同時這也再次證實水稻的內(nèi)稃和外稃的發(fā)育的確受到不同的基因調控。 1.4 lhs1-3是OsMADS1基因的等位突變 LHS1-3基因被定位在水稻第3染色體上的分子標記PSSR3和RM7576之間，物理距離相距34kb。在這個區(qū)間包含OsMADS1等3個注解基因。在lhs1-3突變體中，OsMADS1基因的第一內(nèi)含子中插入了一個5166bp的Pong轉座子元件，并且檢測不劍任何

7、OsMADS1的轉錄信息；另外，OsMADS1一個玉米直系同源基因ZmMADS8的功能缺失突變也引起小穗確定性的丟失。這些結果都暗示lhs1-3是OsMADS基因的等位突變。 2.水稻雄蕊雌蕊化基因PS的圖位克隆和功能分析 花器官特征發(fā)育調控的ABCE模型在很大程度上也適用于單子葉植物。然而目前對水稻等單子葉植物中相關基因的調控機制還缺乏了解。在本研究中，我們鑒定了一個雄蕊雌蕊化基因PISTILLOID-STAMEN(P

8、S)，它通過調控B、C功能基因的表達來維持正常的雄蕊特征。 2.1 PS基因調控雄蕊的特征 發(fā)育ps突變嚴重影響了水稻內(nèi)外稃對稱軸線上的2枚雄蕊原基的起始，使其被雌蕊原基代替。其他的雄蕊原基雖然可以止常起始，但是它們最終多數(shù)融合了雌蕊的特征或嚴重退化。這些結果表明PS基因是雄蕊的特征發(fā)育所必需的。 2.2　PS基因調控水稻花器官特征 基因的表達在雄蕊原基起始及其發(fā)育早期，ps突變體中特化雄蕊特征發(fā)育的B、

9、C功能基因都表現(xiàn)下調，而特化雌蕊特征的DL基因表現(xiàn)上調，暗示了PS基因可能激活或(和)維持B、C功能基因在第3輪中的表達，或者抑制DL基因的在第3輪中異位表達。 2.3 PS調控花器官的形態(tài) 發(fā)育ps突變體所有的花器官形態(tài)都發(fā)生變化。第1輪內(nèi)外稃的長和寬明顯減小，而且始終不能閉合：第2輪漿片偶爾伸長，體積也會變大；在第3輪，雌蕊化的器官大多數(shù)帶有不定數(shù)目的柱頭或(和)不定型組織，而未被雌蕊化的雄蕊形態(tài)也很不正常，特別是花

10、藥表現(xiàn)嚴重的退化。第4輪的雌蕊相對止常，但是經(jīng)常會出現(xiàn)多柱頭，而且大多數(shù)不能正常結實。這些結果暗示PS基因是維持花器官后期止常的細胞分化和增殖所必需的。 2.4 PS基因功能的保守與分化 PS編碼一個C2H2鋅指結構蛋白，是擬南芥IAG/NUB基因的直系同源基因，JAG基因調控側翼器官的形態(tài)發(fā)育，包括葉片和所有的花器官，而JAG的旁系同源基因NUB調控雄蕊和心皮的形態(tài)發(fā)育，功能與JAG部分冗余。ps突變的花器官形態(tài)與ja